Error: Reference source not found. Error: Reference source not found

Эквивалентная схема используется для анализа процессов в транзисторе и для вывода расчетных соотношений между током и напряжением. Эквивалентные схемы подразделяются на формальные и физические. Формальные схемы представляют собой схемную реализацию уравнений, описывающих четырехполюсник, причем элементы такой схемы не связаны с процессами, лежащими в основе действия прибора, описываемого уравнениями четырехполюсника. Физическая эквивалентная схема состоит из элементов, отражающих физическую природу явлений в транзисторной структуре и дающих представление о внутренней взаимосвязи этих явлений. При построении эквивалентных схем учитываются процессы инжекции, экстракции, рекомбинации, перемещения носителей заряда, а также модуляция ширины базы, зарядные и диффузионные емкости, объемные сопротивления слоев транзистора, собственные шумы в структуре и другие.

В зависимости от типа проектируемой ИМС (логическая или аналоговая, низкочастотная или высокочастотная и т.д.) необходимо прибегать к использованию тех или иных эквивалентных схем. Например, при анализе логических схем следует применять модели, описывающие характеристики транзистора в широком диапазоне изменения напряжений и токов. С другой стороны, нужно учитывать, что для малосигнальных аналоговых схем важно повысить точность модели только вблизи рабочей точки, а в высокочастотных схемах возрастают роль собственной инерционности транзистора и влияние паразитных элементов.

Статические режимы работы транзистора обычно анализируют с помощью математической модели Эберса-Молла. Соответствующая этой модели эквивалентная схема интегрального транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.2.2, б. В такой эквивалентной схеме каждому p-n-переходу соответствует диод. Взаимодействие p-n-переходов в транзисторной структуре отражено в эквивалентной схеме введением генератора тока с бесконечно большим внутренним сопротивлением. При нормальном включении транзистора эмиттерный переход открыт и через него проходит ток , в цепи коллектора возникает ток , где  – коэффициент передачи эмиттерного тока (индекс N относится к режиму нормального включения). Ток в цепи коллектора будет меньше тока , т.к. часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в области базы. В эквивалентной схеме это отражается введением генератора тока . При инверсном включении, когда коллекторный переход используется в качестве инжектирующего, а эмиттерный – в качестве собирающего, коллекторному току I₂ соответствует эмиттерный ток I₂, протекающий в цепи эмиттера. Коэффициент передачи тока в этом случае обозначен через (индекс I относится к режиму инверсного включения).

Такая эквивалентная схема применяется для простейшего нелинейного описания биполярного транзистора в статическом режиме. Она не позволяет учитывать эффекты накопления зарядов в транзисторной структуре. Введение в эквивалентную схему трех омических объемных сопротивлений позволяет повысить точность описания статических характеристик. Этими элементами схемы учитываются омические сопротивления транзистора между его рабочими областями и выводами от коллектора, эмиттера и базы.

Эффекты накопления зарядов в транзисторе можно моделировать путем введения следующих емкостей: двух нелинейных барьерных емкостей p-n-переходов, двух нелинейных диффузионных емкостей и постоянной емкости относительно подложки. Учет накопления зарядов позволяет анализировать частотные и переходные характеристики транзистора. Барьерные емкости моделируют приращение зарядов неподвижных носителей, находящихся в обедненном слое, в случае приращения напряжений на соответствующих p-n-переходах. Барьерная емкость каждого из p-n-переходов является существенно нелинейной функцией напряжения. Введением в эквивалентную схему диффузионных емкостей учитывают влияние зарядов подвижных носителей в транзисторе. Этот заряд подразделяется на две составляющие, одна из которых связана с током коллекторного генератора, а другая – с током эмиттерного генератора. Учет емкости транзистора относительно подложки необходим для анализа характеристик не только интегрального транзистора, но также других элементов ИМС. В действительности эта емкость представляет собой барьерную емкость p-n-перехода и зависит от напряжения между эпитаксиальным слоем и подложкой. В большинстве случаев ее представляют в виде постоянной емкости, что достаточно точно характеризует влияние изолирующего перехода.

Рисунок 2.2.1 Упрощенная эквивалентная схема транзистора ИМС для малого переменного сигнала

В некоторых случаях можно использовать упрощенные физические эквивалентные схемы. В частности, они пригодны для решения широкого круга линейных задач, связанных с расчетом малых переменных сигналов. Одна из упрощенных эквивалентных схем представлена на рис. 2.2.3. Она построена на основе анализа физических процессов, протекающих в рабочих областях транзисторной структуры, и содержит следующие параметры:

1. дифференциальный коэффициент передачи тока , определяемый как отношение изменения коллекторного тока к вызвавшему его изменению эмиттерного тока в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменному току:

;

2. дифференциальное сопротивление эмиттерного p-n-перехода:

;

3. дифференциальное сопротивление коллекторного p-n-перехода:

;

4. коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, учитывающий эффект модуляции ширины базовой области (эффект Эрли):

;

5. объемное сопротивление базовой области ;

6. объемное сопротивление коллекторной области ;

7. барьерную емкость коллекторного p-n-перехода ;

8. барьерную емкость перехода коллектор-подложка .

Работа биполярного транзистора основана на процессах перемещения подвижных носителей заряда (электронов и дырок) через эмиттерный и коллекторный p-n-переходы. В различных ИМС наряду с наиболее распространенными транзисторами типа n-p-n используются транзисторы типа p-n-p, причем комбинация обоих типов биполярных транзисторов в некоторых случаях позволяет существенно улучшить частотные свойства ИМС и снизить потребляемую мощность.

Однако по мере дальнейшего развития микроэлектроники чётко определяются области, в которых применение биполярных транзисторов оказывается невозможным или экономически нецелесообразным. В первую очередь это относится к таким функционально законченным изделиям, как постоянные и оперативные запоминающие устройства, калькуляторы и микропроцессоры. Существенные недостатки биполярных транзисторов проявляются также при их использовании в микромощных ИМС, предназначенных для применения в бортовых и космических системах. Все это потребовало разработки новых активных приборов, которые были бы свободны от ряда недостатков, присущих биполярным транзисторам. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в области практического использования различных классов приборов, принцип действия которых основан на управлении электронными процессами со стороны внешнего электрического поля.

1.1.Проектирование биполярных транзисторов

Транзистор является основным элементом ИМС, поэтому исходя из предъявляемых к нему требований, выбирают физическую структуру различных областей, т.е. задаются определенными электрофизическими параметрами, к числу которых относятся концентрация легирующих примесей, подвижности электронов и дырок, времена жизни и скорости рекомбинации подвижных носителей заряда, диэлектрическая проницаемость исходного полупроводникового материала.

Выбранная физическая структура транзистора используется для расчета остальных элементов ИМС.

Рассмотрим в качестве примера транзистор ИМС, элементы которой изолированы обратно смещенными p-n-переходами. Транзистор такой схемы содержит следующие слои: эмиттерный, базовый, коллекторный, эпитаксиальный, а также скрытый высоколегированный. Все эти слои изготовляются на исходном высокоомном основании полупроводникового материала, обычно кремния. Удельное объемное сопротивление подложки должно быть большим (1–10 Ом_*см), чтобы обеспечить получение высокого пробивного напряжения перехода коллектор-подложка и малую барьерную емкость. Толщину подложки выбирают достаточно большой (0,25–0,40 мм), чтобы она выдерживала механические нагрузки в процессе обработки.

Уровень легирования эпитаксиального n-слоя выбирают исходя из противоречивых требований: для получения высокого пробивного напряжения и малой емкости перехода коллектор – база уровень легирования должен быть низким, а для получения низкого последовательного сопротивления коллекторной области – высоким. В большинстве случаев удельное сопротивление эпитаксиального слоя составляет 0,1–0,5 Ом_*см, а его толщина изменяется в пределах от 2,5 до 10 мкм. Использование тонких эпитаксиальных слоев (до 3 мкм) позволяет существенно уменьшить паразитные емкости и тем самым увеличить плотность размещения элементов и повысить максимальную рабочую частоту ИМС.

Последовательное сопротивление коллекторной области транзистора регулируется путем введения в его структуру скрытого n+ – слоя. В области коллектора, где формируется омический контакт, проводится диффузия донорной примеси для образования n+ – области. Этим обеспечивается предотвращение инверсии слаболегированного эпитаксиального слоя, т.к. алюминий, используемый при выполнении омического контакта, является акцептором. В структуре со скрытым высоколегированным слоем последовательное сопротивление коллекторной области составляет обычно 10–50 Ом.

Рисунок 2.3.2 Структура (а) и эквивалентная схема (б) транзистора ИМС со скрытым n⁺ -слоем

Уровни легирования эмиттерной и базовой областей также выбирают с учетом нескольких противоречивых требований. В частности, для увеличения коэффициента инжекции эмиттера и повышения пробивного напряжения перехода эмиттер-база уровень легирования базовой области необходимо понижать. Однако это привело бы к недопустимому возрастанию паразитного омического сопротивления между базовым контактом и активной областью базы. Кроме того, если поверхностная концентрация базового слоя становится менее 5_*10¹⁶ см^-3, то на поверхности этого слоя возможно образование инверсной n-области, наводимой нескомпенсированным положительным неподвижным зарядом, локализованным в покрывающем поверхность слое оксида. В результате между коллекторной и эмиттерной областями может возникнуть проводящий слой. Увеличение уровня легирования эмиттера требуется для получения более высокого коэффициента инжекции. Но при очень высоких уровнях легирования, близких к пределу растворимости соответствующей примеси в кремнии (до 10²¹ см^-3), возникают искажения структуры кристаллической решетки, что в свою очередь вызывает уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда в эмиттере и, следовательно, уменьшение коэффициента инжекции.

На рис. 2.3.1, а показана структура планарно-эпитаксиального транзистора полупроводниковой ИМС со скрытым n+ – слоем. Его отличие от дискретного транзистора подобного типа заключается в том, что коллекторный вывод выполнен с верхней стороны исходной подложки, что и обуславливает более высокое последовательное сопротивление коллекторной области. Диодная изоляция островка вокруг коллекторной области интегрального транзистора вносит два паразитных элемента: диод Д_кп на переходе коллектор-подложка и емкость С_кп на том же переходе, как показано на рис. 2.3.1, б. Структура между эмиттерным, базовым и коллекторным контактами на рис. 2.3.1, б электрически эквивалентна дискретному транзистору. Те или иные числовые значения номиналов сопротивления r_к и емкости С_кп зависят от геометрической конфигурации и расположения транзистора на подложке. Скрытый n+ -слой обеспечивает низкоомный путь тока от активной коллекторной области к коллекторному контакту и уменьшает паразитное влияние транзистора p-n-p между базой p-типа и подложкой n-типа при прямом смещении.

Типичное распределение концентраций примесных атомов в структуре планарно-эпитаксиального транзистора полупроводниковой ИМС показано на рис. 2.3.2.

Расплывание примесного профиля внутри скрытого n+ -слоя (кривая 1) обусловлено диффузией атомов примеси из высоколегированного слоя исходной подложки в эпитаксиальный слой как непосредственно в процессе эпитаксиального наращивания, так и при последующих высокотемпературных процессах. Для типичных структур с изоляцией p-n-переходом при толщине эпитаксиального слоя 8–10 мкм область расплывания, отсчитанная от верхней поверхности исходной подложки р-типа, составляет 3-4 мкм. Поверхностное сопротивление материала скрытого n+-слоя обычно изменяется в пределах 12–18 Ом/□. Область расплывания профиля в n-слое можно уменьшить, если в качестве легирующих элементов использовать элементы с меньшими коэффициентами диффузии, например мышьяк или сурьму.

Рисунок 2.3.3 Распределение концентрации примесных атомов в структуре транзистора ИМС

Пунктирная прямая 2 на рис. 2.3.2 соответствует распределению примесных атомов в эпитаксиальном слое, которое обычно является однородным. Выбор значения удельного объемного сопротивления эпитаксиального слоя обусловлен необходимостью обеспечения достаточно высокого напряжения пробоя перехода база-коллектор. Кривая 3 соответствует распределению примесных атомов акцепторного типа в базе. Уравнение этой кривой приблизительно может быть представлено гауссовой функцией, а типичные значения удельного поверхностного сопротивления составляют 120-200 Ом/□. Распределение атомов эмиттерной примеси донорного типа представлено кривой 4. При формировании эмиттерной области транзисторной структуры в качестве легирующего элемента обычно используют фосфор. Поверхностная концентрация атомов эмиттерной примеси примерно соответствует пределу их растворимости при температуре диффузии, т.е. составляет величину порядка 10²¹см^-3. Ширину базовой области транзистора, заключенной между коллекторным и эмиттерным переходами, обычно выбирают в пределах 0,6-0,8 мкм с допустимыми отклонениями, составляющими 0,1 мкм.

Внутри базовой области транзистора, изготовленного методом двойной диффузии, возникает сильное электрическое поле, обусловленное действием градиента примесной концентрации. Поэтому перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется как за счет диффузии, так и за счет дрейфа под действием электрического поля. Поскольку толщина активной области базы очень мала, время пролета неосновных носителей заряда через базу не является основным фактором, определяющим частотные свойства транзистора ИМС. В большинстве случаев частотные характеристики схем в наибольшей степени зависят от паразитных емкостей переходов и последовательных сопротивлений областей транзистора. Влияние паразитных параметров может быть уменьшено за счет максимально возможного уменьшения геометрических размеров транзистора, допускаемого разрешающей способностью процесса фотолитографии.

В процессе проектирования топологии транзистора полупроводниковой ИМС целесообразно проанализировать несколько различных конфигураций, из которых затем можно выбрать вариант, в наибольшей степени удовлетворяющий тому или иному схемотехническому решению.

Электрические характеристики транзистора зависят в основном от размеров его областей, поэтому необходимо учитывать следующие факторы:

1. площадь коллектора определяет емкость перехода коллектор-подложка и последовательное сопротивление коллекторной области;

2. площадь базы определяет емкость перехода база-коллектор и распределенное сопротивление базовой области;

3. площадь и периметр эмиттера оказывают влияние на частотные и токовые характеристики транзистора.

В цифровых ИМС, являющихся обычно маломощными, размеры каждой из областей транзистора стараются делать как можно меньшими. Однако площади p-n-переходов нельзя уменьшать беспредельно, поскольку минимальный размер этих областей ограничивается разрешающей способностью фотолитографии, т.е. возможностью получения минимального размера окна в маскирующем слое оксида. Современная технология изготовления ИМС позволяет получать ширину окна, составляющую 3-4 мкм. Необходимо также учитывать, что геометрическая конфигурация той или иной области транзисторной структуры зависит от расположения омических контактов и допустимых зазоров на совмещение.

Рисунок 2.3.4 Конфигурации транзисторов ИМС: а – однополосковая, б-д – двухбазовые полосковые

Наиболее пригодной для микромощных ИМС является однополосковая конструкция транзистора, показанная на рисунке 2.3.3, а.

Для двухбазовой полосковой конструкции (рис. 2.3.3, б, в) характерно низкое сопротивление базовой области и повышенный по сравнению с предыдущей конструкцией коэффициент передачи тока. При необходимости получения малого сопротивления тела коллектора применяют конструкции транзисторов с увеличенными контактными областями с коллектором (рис. 2.3.3, б-д).

Минимальные горизонтальные размеры областей транзистора определяются точностью изготовления и совмещения фотошаблонов, а также влиянием боковой диффузии. Последний эффект обусловлен неодномерностью диффузионного процесса. Это означает, что при формировании любой из областей транзисторной структуры примесные атомы диффундируют не только в глубь исходной полупроводниковой подложки, но и в боковых направлениях. Поскольку при формировании полупроводниковой ИМС подложка неоднократно подвергается высокотемпературной обработке, действительные площади эмиттерной, базовой и коллекторной областей будут несколько превышать площади вскрытых окон, через которые проводилась диффузия. С учетом воздействия обоих отличительных факторов вокруг контактных окон в маске из двуокиси кремния оставляют зазоры размером 5-6,5 мкм.

Как видно из рис. 2.3.1, а, рабочая область транзистора начинается непосредственно под эмиттером. Отсюда следует, что, для обеспечения необходимого тока коллектора при минимальном последовательном падении напряжения, коллекторный контакт должен располагаться как можно ближе к эмиттерному. С другой стороны, расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно значительно превышать длину, на которую диффундируют примесные атомы при формировании р-базы и контактной n+-области к коллектору в боковых направлениях. Без учета этого ограничения коллекторная и базовая области могут сомкнуться, что вызовет резкое уменьшение напряжения пробоя и увеличение обратного тока перехода коллектор-база. При типичных значениях глубины коллекторного перехода это расстояние должно составлять 12-15 мкм.

Скрытый n+-слой располагается под базовой областью транзистора и в принципе может простираться до площади непосредственно под коллекторным контактом. Фактическое расстояние между изолирующей стенкой р-типа и внутренними элементами транзисторной структуры сильно зависит от диффузии в боковых направлениях. При проектировании транзистора полупроводниковой ИМС следует особо учитывать, что длительность процесса изолирующей диффузии намного превышает длительность диффузии атомов примеси, в процессе которой формируется базовая область. Поэтому влияние диффузии в боковых направлениях при формировании изолированных областей и последующих процессах высокотемпературной обработки является очень существенным. Оптимальным считается такое расположение изолирующей стенки р-типа и внутренних элементов транзисторной структуры, при котором расстояние между ними составляет не менее удвоенной глубины эмиттерного перехода.

Если транзисторы ИМС предназначаются для использования в высокочастотных аналоговых или быстродействующих цифровых устройствах, то коллекторную область целесообразно дополнительно легировать атомами золота. Это позволяет резко сократить время жизни неосновных носителей заряда, а тем самым и время переключения транзистора.